Природа имеет множество ритмов: смена сезонов обусловлена движением Земли вокруг Солнца, тиканье маятниковых часов — колебаниями маятника. Эти явления можно объяснить с помощью простых уравнений. Однако регулярные ритмы могут возникать и совершенно иным образом — сами по себе, без внешних часов, через сложное взаимодействие множества частиц. Вместо однородного беспорядка возникает фиксированный ритм — это называется «кристаллом времени».
Расчёты Венского технического университета (TU Wien) показывают, что такие кристаллы времени могут быть созданы совершенно иным способом, чем считалось ранее. Квантово-физические корреляции между частицами, которые ранее считались вредными для возникновения таких явлений, на самом деле могут стабилизировать кристаллы времени. Это удивительное новое понимание квантовой физики систем многих частиц.
Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Когда жидкость замерзает, частицы меняют свой пространственный порядок: в жидкости они движутся хаотично и беспорядочно, без структуры. Когда жидкость замерзает, образуется кристалл, в котором отдельные частицы расположены в очень специфических местах по очень регулярной схеме.
Может ли такой тип нарушения симметрии происходить и во времени? Возможно ли, что квантовая система изначально хаотична во времени, что каждая точка во времени одинакова, но тем не менее возникает временной порядок?
«Этот вопрос был предметом интенсивных исследований в квантовой физике более десяти лет», — говорит Феликс Руссо из Института теоретической физики TU Wien, который проводит исследования для своей докторской диссертации в команде профессора Томаса Полла.
Было показано, что так называемые кристаллы времени возможны — системы, в которых устанавливается временной ритм без внешнего воздействия. Однако считалось, что это возможно только в очень специфических системах, таких как квантовые газы, физика которых может быть хорошо описана с помощью средних значений без учёта случайных флуктуаций, неизбежных в квантовой физике, — говорит Руссо.
«Мы показали, что именно квантово-физические корреляции между частицами, которые ранее считались препятствующими формированию кристаллов времени, могут привести к возникновению фаз, подобных кристаллам времени», — говорит Руссо.
Сложные квантовые взаимодействия между частицами индуцируют коллективное поведение, которое невозможно объяснить на уровне отдельных частиц — подобно тому, как дым от потушенной свечи иногда может образовывать регулярную серию дымовых колец; явление, ритм которого не задан извне и которое невозможно понять, рассматривая отдельные частицы дыма.
«Мы исследуем двумерную решётку частиц, удерживаемых на месте лазерными лучами», — говорит Руссо. «И здесь мы можем показать, что состояние решётки начинает колебаться — благодаря квантовому взаимодействию между частицами».
Исследование даёт возможность лучше понять теорию квантовых систем многих тел, открывая путь для новых квантовых технологий или высокоточных методов квантовых измерений.
В статье, опубликованной в Communications Physics, исследователи из Свободного университета Брюсселя и Института квантовой оптики и квантовой информации в Вене представляют новый фреймворк для описания физики относительно квантовых систем отсчёта, раскрывая важность ранее непризнанных «дополнительных частиц».
В любом эксперименте определение физической величины всегда зависит от системы отсчёта. Например, идентификация времени, в которое происходит событие, имеет смысл только относительно часов. Аналогично, положение частицы обычно определяется относительно других частиц. Системы отсчёта обычно рассматриваются как классические системы, то есть предполагается, что они имеют определённые значения при измерении относительно других систем отсчёта.
Однако, насколько нам известно, каждая система в конечном итоге является квантовой. Как таковая, она может в принципе существовать в неопределённых состояниях, называемых квантовыми суперпозициями. Как выглядит физический мир, если описывать его с точки зрения системы отсчёта, которая может быть в квантовой суперпозиции? Можно ли определить согласованные правила для перехода между различными перспективами?
В течение последних нескольких лет исследователи в области квантовых основ предпринимали активные усилия, чтобы ответить на эти вопросы, которые, как ожидается, прольют новый свет на определённые аспекты физики на пересечении квантовой теории и общей теории относительности, такие как явление неопределённого причинного порядка.
Теперь Эстебан Кастро-Руис из Института квантовой оптики и квантовой информации в Вене (ранее из Свободного университета Брюсселя) и Огнян Орешков из Свободного университета Брюсселя предложили решение этой головоломки, основанное на физически строгой, операционной дефиниции того, что означает описывать мир с точки зрения квантовой системы отсчёта.
Используя только стандартные инструменты квантовой теории, авторы получили математически согласованный способ преобразования между перспективами различных квантовых систем отсчёта, которые зависят только от самих систем отсчёта и системы, которую они хотят описать.
Их ключевое понимание заключается в том, что перспектива системы отсчёта должна содержать все подсистемы системы отсчёта и системы, которые доступны «изнутри», то есть без доступа к внешней системе отсчёта. Оказывается, эти подсистемы включают больше, чем просто систему, описанную относительно системы отсчёта, как предполагалось ранее. Они также включают подсистему, которая несёт информацию о реляционных свойствах самой системы отсчёта.
Эта подсистема, называемая «дополнительной частицей», не играет роли, когда система отсчёта является классической, но становится важной, когда система отсчёта находится в квантовом состоянии, особенно для обеспечения обратимости преобразований между различными перспективами.
«В случае, когда система отсчёта находится в классическом состоянии, дополнительная частица не несёт информации и может быть проигнорирована, что может объяснить, почему она упускается из виду в нашей обычной, учебной квантовой схеме», — говорит Кастро-Руис.
«Что я нахожу замечательным, так это простота нашего решения. Наш фреймворк не выдвигает гипотез — он выведен, начиная с перспективы фоновой системы отсчёта, используя только стандартные квантово-механические инструменты, но результаты независимы от внешней системы отсчёта и применимы также в случаях, когда такой системы отсчёта не существует», — подчёркивает Орешков.
Новый фреймворк закладывает основу для более глубокого, реляционного понимания роли систем отсчёта в квантовой теории с потенциальными приложениями в калибровочной теории и гравитации.
published in the journal Physical Review Letters.”,”When a liquid freezes, the particles change their spatial order: In the liquid, they move wildly and randomly, with no structure. When the liquid freezes, a crystal forms in which the individual particles are located in very specific places in a very regular pattern. A liquid looks the same everywhere, it has the same properties everywhere and in every direction, it is completely symmetrical. In a crystal, however, this symmetry is broken: suddenly there is a regular structure, there is a direction that differs from other directions.”,”Can this kind of symmetry breaking also occur in time? Is it possible that a quantum system is initially disordered in time, that every point in time is the same as every other, but that a temporal order nevertheless emerges?”,”\”This question has been the subject of intensive research in quantum physics for over ten years,\” says Felix Russo from the Institute of Theoretical Physics at TU Wien, who is conducting research for his doctoral thesis in Prof. Thomas Pohl’s team. In fact, it has been shown that so-called time crystals are possible—systems in which a temporal rhythm is established without the beat being imposed from outside.”,”\”However, it was thought that this was only possible in very specific systems, such as quantum gases, whose physics can be well described by mean values without having to take into account the random fluctuations that are inevitable in quantum physics,\” says Russo. \”We have now shown that it is precisely the quantum physical correlations between the particles, which were previously thought to prevent the formation of time crystals, that can lead to the emergence of time-crystalline phases.\””,”The complex quantum interactions between the particles induce collective behavior that cannot be explained at the level of individual particles—similar to how the smoke from an extinguished candle can sometimes form a regular series of smoke rings; a phenomenon whose rhythm is not dictated from outside and which cannot be understood from single smoke particles.”,”\”We are investigating a two-dimensional lattice of particles held in place by laser beams,\” says Russo. \”And here we can show that the state of the lattice begins to oscillate—due to the quantum interaction between the particles.\””,”The research offers the opportunity to better understand the theory of quantum many-body systems—paving the way for new quantum technologies or high-precision quantum measurement techniques.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tVienna University of Technology\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник